土壤团聚体中有机质研究进展_窦森

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NaOH-Na4 P2 O7连续提取物质和蒙脱石黏粒连接的 SOM, 其周转时间长 。在平均年龄为 4 930 a的灰土
中 , 分离得到的 2∶1型黏粒 (<2 μm)的放射性碳的 最大年龄 , 为 6 716 ±524 a[ 46] 。
Caravaca等 [ 47] 研究表明 , பைடு நூலகம்粒和粉粒中胡敏素
2期
窦 森等 :土壤团聚体中有机质研究进展
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不容易制备大量样品用于提取 HS组分 , 二是制备微 团聚体样品时出现 “机械分析化 ”即大粒级减少 、小 粒级增加的现象 [ 18] , 所以定性研究 HS组分时一般不 对 M2续分 。
通 常 用 团 聚 体 稳 定 率 [ 19] 、平 均 重 量 直 径 (MWD)[ 20] 、 几 何 平 均 直 径 (GMD)、 分 形 维 数 (D)[ 21-22] 和转移矩阵法得到的稳定性指数 [ 23] 作为 评价团聚体稳定性的指标 。 近些年 MWD、GMD和 D在团聚体稳定性研究中应用较多 [ 24-25] 。
标记的 黑麦 草 添加 到 丹麦 耕 地土 壤 中 培养 8 个 月 , 14 C标记的有机质在 M中较在 A中含量高 , 且随 着微团聚体粒 径的减小 而增加 。在 125 ~ 250 μm
微团聚体中的 14C有机质较 250 ~ 2 000 μm大团聚 体中的 14 C有机质易分解 , 不稳定 [ 43] 。
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土 壤 学 报
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13 C周转时间和 14 C-MRT(平均存留 时间 )也随着粒 级的减小而变长, 但比粉粒更细时不再继续 增加[ 14] 。
黏粒中胡敏素较原土 SOM老 , 较 HA、FA也老 , 但较 NaOH-Na4 P2 O7 连续 提取的 HA、FA年轻 [ 45] 。
* 国家自然科学基金项目 (40871107, 40971141)、高校博士点基金项目 (200801930003)资助 作者简介 :窦 森(1959— ), 男 , 吉林东丰人 , 教授 , 博士 , 主要从事土壤有机质研究 。 E-mail:dousen@tom.com 收稿日期 :2009 -11 -22;收到修改稿日期 :2010 -05 -17
大多数研究表 明 , 随团 聚体粒级的 增大 , SOM 氧化稳定性 (Kos)下降 , 碳活性 (CA)和氮活性 (NA) 提高[ 8, 15, 18, 31, 34-35] 。 SOM的周转时 间随团聚体粒级 的增大而 变短 , 一 般 M为 100 ~ 400 a, A为 15 ~ 100 a[ 13, 26, 31-36] 。在大团聚体 中富含 新近沉 积的有 机质或有机碳 (称为 “新碳 ”), 例如 , 对含有 9%新 碳的全土 , >1 000 μm水稳性大团聚体中来自玉米 作物新碳的碳 量平均 为 20%;而微 团聚体 中只有 1%[ 37] , 新 碳 的 积 累 可 以 提 高 大 团 聚 体 的 稳 定 性 [ 38] 。而且随着团聚体粒级减小 , SOM的 C/N比 从 20减少至 8[ 39-41] 。在田间条件下 , 随着麦秸的分 解 , 标记的 13 C和 15 N从 A向 M再分配 , 因此 , M-OM 通常 较 A-OM老 , 并 且 植 物 残 体 的 改 变 程 度 较 高 [ 42] 。但 也有 不同 的研 究结果 , Kristiansen用 14 C
有见到较系统的团聚体 -化学分组的研究[ 14] 。 物理 保护与化学保护研究结合的 明显不够 。 探索 SOM 物理保护与化学保护的关系 , 有助于揭示土壤固碳 和培肥机理 , 明确不同粒级团聚体和不同 HS组分 对土壤固碳和肥力的贡献 。
1 团聚体分组 、数量和稳定性
国内外关于土壤团聚体的研究较多 ,但其分组方 法不统一 , 总体而言 , 有干筛 、湿筛和沉降 3种方法 。 最近几年 , 以湿筛法应用较多 。 一般以 250 μm为界 线将水稳性团聚体分为大团聚体 (macro-aggregates, A)和微团聚体 (micro-aggregates, M)2类 。 其中前者 又可分为 >2 000 μm(A1)和 2 000 ~ 250 μm(A2);后 者也可分为 250 ~ 53 μm(M1)和 <53 μm(M2)[ 11, 15] 。 可以将 A1、A2、M1和 M2分别称为大团聚体 、中间团 聚体 、微团聚体和粉 +黏团聚体[ 9] 。当然也可将 A1 续分为 >5 000 μm和 5 000 ~ 2 000 μm[ 16] ;将 A2续 分为 2 000 ~ 1 000 μm和 1 000 ~ 250 μm;将 M2续分 为 53 ~ 10 μm、10 ~ 5 μm、2 ~ 5 μm和 <2 μm[ 17] 。但 由于 <53 μm的微团聚体续分时 , 需用沉降法 , 一是
近年来人们认识到 , 受物理保护的 SOM在固碳 和肥力上有重要作用 , 而且对农业措施和短期试验 响应比较敏感 , 这些引起了 人们的兴趣 , 导致物理 分组研究升温 , 内容包括团聚体分组 、颗粒分组 、密 度分组 、高场磁化分组 (HGMS)和联合分组等 [ 8-13] 。 对固碳而言 , 物理保护虽然 重要 , 但固 碳数量少且 不持久 ;而传统 的化学保护数 量多 , 稳 定持久 。 因 此 , 我们不但没有理由忽视 化学分组 , 而且应该将 化学分组与物理分组结合起来 。 在过去 HS化学分 组和结构表征研究中 , 基 本上是针对全 土进行的 ; 物理分组后主要是对各组分整体有机质 (碳 )进行 数量和稳定性研究 , 将两 者结合的研究 报道很少 , 只见到零星的密度 -化学分组和粒级 -化学 分组 , 没
不同粒级颗粒对 SOM的生物保护机制不同 , 砂 粒中真菌活动是最强烈的 , 而细菌在粉粒中活动最 强烈 。砂粒 、粉粒 和黏粒中 的 SOM分 别属于活 性 的 、中间的和 惰性的 C库 。 一般随着粒级的减小 , 与矿质部分结合的 C占总 SOC的比例增加 , C/N减 少 。 微生物产物信号 (己糖 /戊糖 )一般随着粒级的 减小而增强 , 表明 粗粒中 植物 来源的 有机 质占 优 势 , 细粒中来自于 微生物代谢物 的有机质占优势 ;
第 48卷 第 2期 2011年 3月
土 壤 学 报
ACTA PEDOLOGICA SINICA
Vol.48, No.2 Mar., 2011
土壤团聚体中有机质研究进展*
窦 森 1 李 凯 1, 2 关 松 1
(1 吉林农业大学资源与环境学院 , 长春 130118)
(2 吉林农业科技学院文理学院 , 吉林 132101)
3 颗粒分组中的 SOM
团聚体分组和颗粒分组同属于物理分组 , 都是 按粒级大小分组 , 它们的差别在于做土壤崩解处理 时 , 前者用湿筛 +振 荡得到水稳性 团聚体 , 后 者用 湿筛 +六偏磷酸钠 +超声波 分散得到结合更 为稳 定的土粒 -OM复合体[ 9, 11] 。 两者之间不一定有明 显的数量界限 , 但一定是颗粒分组得到的小粒级组 分更多些 , 其差值或比值一定程度上反映水稳性团 聚体的稳定度 。 团聚体分组与颗粒分组 , 如同 “房 子 ”与 “砖 ”的关系 , 团聚体是盖好的大小不同的 “房 子 ”, 矿物颗粒 、有机质 、有机无机复合体是具有不 同规格的 “砖 ” 。尽管团聚体分组与颗粒 分组的方 法不同 , 但其中的 SOM或有机碳 (SOC)随粒级的变 化规律可能相似 。 这就是为什 么在讨论团聚 体分 组的同时 , 也注意颗粒分组的原因 。为了与团聚体 分组相对应 , 颗粒分组多划分为 :黏粒 (<2 μm)、粉 粒 (2 ~ 20 μm或 2 ~ 50 μm)、砂粒 (20 ~ 2 000 μm 或 50 ~ 2 000 μm), 有时还区分细黏粒 (<0.2 μm)。
关键词 土壤团聚体 ;有机质 ;腐殖物质组分 ;农业措施 中图分类号 S153.62 文献标识码 A
团聚体是土壤有机质 (SOM)保持的场所 , 对固 碳和肥力都十分重要 , 腐殖物质 (HS)是形成稳定性 团聚体的胶结物质 , 也是主要的固碳物质 [ 1-4] 。 HS 只有被禁锢在团聚体中 , 才能保持其持久 性[ 5] , 一 旦团聚体被破坏 , HS将被暴露并受到微生物的作用 而分解 [ 6] ;反之 , 由 HS参与形成的团聚体会变得更 加稳定 , 这可能是土壤固 碳的最重要机制 [ 7] , 但到 目前为止 , 对于这种相互作用关系了解很少 。
摘 要 团聚体 和有机质是 保持土壤 结构和肥力 的基础 , 二者相互 作用 , 不可分割 , 前者 是后者存 在 的场所 , 后者是前者存在的胶结物 质 。 在现有 资料中 , 分别 以团聚 体和有 机质为 主要研究 对象 的报 道较多 , 而团聚体中有机质性质的研究较少 。 本文 从土壤 有机质 物理分 组与化 学分组相 结合的 角度 , 介绍 国内外 有 关土壤团聚体中有机质的数量和特性及其对农业措施的响 应方面的研 究进展 , 内容包 括团聚体分 组 、数 量和 稳定性 , 团聚体中的有机质的数量 、未分组 有机质 的性质 和腐殖 物质组 分的性质 , 颗 粒分组 中的有 机质数 量 和性质 , 团聚体 -密度联合分组中的有机 质的数量和性质 , 不同土地利用方式和长期耕作施肥 对团聚体中 的有 机质的影响等 。 以期推动不同粒级团聚体和不同 HS组分 相互作用 及其对 土壤固 碳和肥 力贡献 研究工作 的 开展 , 为探索土壤有机质物理保护与化学 保护之间的关系 , 揭示土壤固碳和培肥机理提供依据 。
与未分组有机质的研究相比 , 团聚 体中 HS的 化学分组和结构特征研究 报道很少 , 内容粗浅 , 表 现在 HS分组不全 , 结构 表征过于 简单 (没有制 备 HS组分纯样品 ), 且仅仅有 M的研究资料 , 不系统 。 Bongiovanni和 Lobartini[ 6] 研究表明 , A和 M中均表 现为单位质量团聚体中胡敏酸 (HA)的含量 >富里 酸 (FA), 且 HA、FA储量为 A>M。 但是在 M续分 中 (250 ~ 50 μm、50 ~ 10 μm、10 ~ 5 μm和 <5 μm), HA、FA的相对含量随粒级的增大而减少 [ 8] , 但松结 合态腐殖质 (NaOH提取 )与胡敏素的比例提高 [ 44] 。 对不同粒级 M中 HA结构的研究表明 , <5 μm的 M 中 HA为 B型或 A型 , >5 μm的为 Rp型 , 随粒级 增大 , HA的相对色度 (RF)下降 , 色调系数 (ΔLgk) 增加 , 向 Rp型转变 , 分子结构变得简单化 [ 8, 37] 。
2 团聚体分组中的 SOM
表土中近 90%的 SOM或土壤有机碳 (SOC)位 于团 聚 体 内 [ 26] , 温 带 土 壤 A的 SOM浓 度 高 于 M[ 27-28] 。 但由于 A的数量没有 M多 , SOM仍主要分 布在 M中 , 70%以上的 SOM存在于 <53 μm的 M2 中 [ 18, 28] 。从团聚体间胶结物质考虑 , M被稳定性较 高的 SOM(如 HS)所稳定 , 而 A是由 M进一步团聚 形成的 , 除原来的 SOM外 , 主要是被年轻的有机质 (如碳水 化合物 、根 和菌丝 )所稳定 [ 18] 。 被禁锢在 大团聚体内部的 、与矿物黏粒结合的微团聚体 (特 别是 <53 μm的 )是有机质或 C固定的长期和稳定 场所[ 29] 。 从粒 级角度考虑 , 小粒级 团聚体 中 SOM 以化学保护为主 (微生物来源的 HS较多 , 并与黏粒 结合 ), 分解慢 , 有利于长期保 存[ 30-33] ;而大粒级团 聚体中 SOM以物理保护为主 , 植物来源的有机质较 多 , 周转较快 , 且对管理措施反应敏感 [ 32-33] 。
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